Hvad er fotonik? – Polsk bidrag til fotonikkens univers
Fotonik er det 21. århundredes elektronik. Er det virkelig sandt? Hvad er det polske bidrag til fotonikkens verden?
Fotonik er et meget omfattende videnskabeligt område, som omfatter udvikling af teknikker til billedoptagelse og -behandling, konstruktion af måleenheder, der bruger elektromagnetisk stråling, og udvikling af billedbehandlingsteknikker. Hvis du er interesseret i emnet fotonik – Lad os begynde!
I denne artikel vil du lære:
- What is photonics? Definition and principles of photonics
- Application of photonics
- Polish photonics engineer – huge potential and development prospects for the science of photonics
- Polish contribution to the development of the science of photonics
- What to do after photonics graduation? Who is a photonics engineer?
- The best academic centers in Poland where you can study photonics
- Photonics in Poland – where are we?
- Photonic research in Poland
- Integrated photonic systems – what are they?
- What is optoelectronics and where is it used?
- Progress in optoelectronics
- The best job offers only in optoelectronics
Hvad er fotonik? Definition og principper for fotonik
Hvad er fotonik? Ifølge definitionen er det en særlig form for fysik, der beskæftiger sig med lys og lysbølger. Det er en videnskab, der beskæftiger sig med generering, detektion og manipulation af elektromagnetiske bølger med bølgelængder inden for det menneskeligt synlige lys og derudover. Fotonik er et tværfagligt videnskabeligt område, der kombinerer resultaterne fra optik, elektronik og datalogi. På en måde kan det betragtes som udviklingen af elektronik ved brug af fotoner i stedet for elektroner. Det beskæftiger sig med alt, hvad der har med fotoner og lysmanipulation at gøre.
Definition af fotonik
En definition af fotonik, som vi også kan citere, er: Fotonik er et videnskabeligt og teknologisk område, der beskæftiger sig med studiet og brugen af lysbølger (fotoner) til at transmittere og behandle information samt kontrollere forskellige fysiske processer. Fotonik er et tværfagligt videnskabeligt område, der kombinerer elementer af fysik, elektronik, ingeniørvidenskab, matematik og datalogi.
Fotonik undersøger forskellige aspekter relateret til lysbølger, såsom deres egenskaber, interaktion med materialer, optiske fænomener og hvordan disse fænomener kan bruges til at skabe avancerede teknologier.
Fotonik har et stort potentiale for udvikling af moderne teknologier og anvendes på mange områder i livet, såsom industri, medicin, telekommunikation og videnskab.
Principper for fotonik – partikel-bølge dualitet
Principper for fotonik med få ord
Lys har en dobbelt natur, også kendt som bølge-partikel dualitet. Hvad betyder det? Lys har både karakter af en kontinuerlig elektromagnetisk bølge og en partikel (foton). Den type natur, som lyset udviser, afhænger af den type interaktion, der observeres. For eksempel udviser lys, der brydes gennem en linse eller diffrakteres ved kanten af et hul, en bølgenatur. Lys, der produceres eller absorberes af halvlederenheder som en laserdiode, udviser lys som partikel.
Anvendelse af fotonik
Hvad beskæftiger fotonik sig med? – fotonikkens område
Laserteknologier
Optiske fibre og bølgeledere
Optiske detektorer, photovoltaiske systemer, kameraer
Kvantecomputere
Optik
Opto-mekanik
Belysningssystemer
Mikroskopi
Displays (f.eks.: OLED, QLED)
Lyskilder (f.eks. LED)
Spektroskopi og spektrometri
Liste over fotonikanvendelser i industrier:
IT og telekommunikation – fotonisk silicium bruges ikke kun i telekommunikationsnetværk, men også i optiske computere og infrarøde systemer eller kameraer, samt fotoniske integrerede kredsløb anvendt i telekommunikationsnetværk og kvantecomputere
Industri – laserskæring, boring eller gravering med langt større præcision og nøjagtighed
Medicin – diagnostik, terapi, billeddannelse af ændringer i menneskekroppen
Fotovoltaisk industri – mere effektive solceller
Bilindustri og robotik – fotoniske chips til bilindustrien
Landbrug og skovbrug – fotoniske teknikker anvendt f.eks. til observation og genkendelse af planter og dyrs tilstand
Kosmetologi – fotonisk laser – en innovativ enhed designet til at styrke og forkorte behandlingstiden i hårpleje
Fotonik anvendes også inden for luftfart og forsvar, byggeri og minedrift.
Polsk fotonikingeniør – stort potentiale og udviklingsperspektiver for fotonikvidenskaben
Fotonik bliver en nøgleteknologi til erhvervelse, behandling og overførsel af information. Interessant nok er dens anvendelse i dag meget bred, og den har mulighed for at blive en udviklingsmotor for mange andre industrielle sektorer. Dette er et område med stort potentiale og perspektiv for videnskabelig udvikling. Fotonik er blevet med succes anvendt inden for informationsteknologi og telekommunikation. I industrien udføres eksempelvis laserskæring, boring eller gravering med langt større nøjagtighed og præcision. I medicin er resonansbilleddannelse, tomografi eller andre tests, der muliggør mindre invasiv adgang til menneskekroppen, effekter af hurtig teknologisk udvikling. Moderne kirurgiske værktøjer såsom fiberoptiske sonder er en stor mulighed for et gennembrud i kampen mod kræft.
Hvad mere? Fotonik er også fotovoltaisk teknologi, dvs. mere effektive solceller, der reducerer energiforbruget. Det er et område, der også åbner store udviklingsmuligheder for andre industrier som: luftfart, forsvar, robotik, bilindustri, byggeri, minedrift, rumfart samt moderne landbrug, skovbrug og kosmetologi.
Polsk bidrag til udviklingen af fotonikvidenskaben
Den første fibertelekomlinje i Polen blev bygget i Lublin. Forskningsteamet fra Optical Fiber Technology Laboratory ved Maria Curie-Skłodowska Universitet anses for at være skaberne af polsk optisk fiberfotonik. Det var her, i 1979, at den første fiberoptiske telekommunikationslinje i Polen blev bygget. Lublin-forskernes store succes indledte den ekstremt hurtige udvikling af fiberoptisk teknologi i hele Polen. I dag anvender mange forskningsinstitutioner, både i Polen og i udlandet, deres erfaring. Flere virksomheder inden for fotonik blomstrer i Lublin. En af dem er SDS Optic. Deres produkter er fiberoptiske sensorer til diagnosticering af brystkræft.
Grundlaget for konstruktionen af laseren blev lagt af Albert Einstein, som formulerede teorien om stimuleret udsendelse af stråling. Dette fænomen blev først observeret inden for mikrobølgeområdet, hvilket inspirerede til opbygningen af en laser. Selve LASER-akronymet stammer fra engelsk: Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation. Det er generelt anerkendt, at den første laser blev konstrueret af Theodore Maiman ved Hughes Research Laboratory i Californien, og hans opfindelse fungerede første gang den 16. maj 1960; det var en laser bygget med rubinkrystal. Den første polske laser blev taget i brug den 20. august 1963 på Military University of Technology (WAT), på Fakultetet for Elektroradioteknik, ved Instituttet for Radioteknikkens Grundprincipper ledet af Maj. Zbigniew Puzewicz, PhD.
Laser-mikrofusion
En anden interessant skikkelse at kende er General Sylwester Kaliski. Professor i eksakte videnskaber og kommandant-rektor ved Military University of Technology, som i midten af det 20. århundrede arbejdede med fænomenet laser-mikrofusion. Mikrofusionsteknologi er en meget lovende kilde til ren termisk og elektrisk energi, selvom det i dag sandsynligvis er mere realistisk at bygge en ny type kraftværk baseret på fusion udført i et eksternt magnetfelt i enheder kaldet tokamaks.
Czochralski-metoden muliggør udvinding af krystaller
Den polak, der sandsynligvis har haft størst indflydelse på fotonik i verden, er prof. Jan Czochralski. Denne specialist i materialeforskning og kemi, født den 23. oktober 1885 i Kcynia, udviklede en metode til at dyrke krystaller. Den kaldes stadig almindeligvis efter ham. Czochralski-metoden muliggør udvinding (som krystalproduktionen kaldes) af krystaller, der anvendes i både elektronik og fotonik. Den dag i dag produceres alle processorer og aktive medier, dvs. “hjertet”, i de såkaldte solid-state-lasere ved hjælp af denne metode.
Polsk fotonik er ikke kun historie. Moderne generationer af forskere udvikler meget innovative løsninger inden for dette område. Man bør for eksempel vide, at infrarøde detektorer produceret af det polske firma Vigo Photonics rutinemæssigt anvendes i NASA’s rumfartsmissioner. Og Ryszard Piramidowicz, DSc., professor ved Warsaw University of Technology, er en verdensautoritet inden for integreret fotonik.
Hvad kan man gøre efter en fotonikudannelse? Hvem er en fotonikingeniør?
Som nævnt beskæftiger fotonik sig med lys. Nogle af de mål, som specialister inden for denne industri ofte sætter sig, er udviklingen af innovative produkter til medicin, telekommunikation, IT, produktion og byggeri. Fotonikingeniører er ansvarlige for væsentlige videnskabelige opdagelser, fra lys der kan skære plast til ultrapræcise lasere brugt i delikate øjenoperationer.
En fotonikingeniør er en person, der skaber og forbedrer systemer og produkter, der anvender fotonik – lasere, optik, fiberoptik og billedbehandlingssystemer. De tester ydeevne for at sikre, at systemet fungerer korrekt. De former også moderne teknologi ved at udvikle eksperimentelle produkter, der til sidst vil blive perfektioneret til daglig brug, herunder f.eks. solceller eller løsninger til elektronikproduktion. Men det er ikke alt! Fotonikingeniører skaber også prototyper for at afgøre, om deres ideer er gennemførlige.
I produktionsindustrien skaber de lettere og tidsbesparende metoder til at fremstille produkter eller systemer til vurdering af kvalitet, f.eks. visionssystemer, ofte med brug af kunstig intelligens. De kan også designe optiske materialer for at gøre fabrikken mere energieffektiv.
I virksomheder, der producerer elektronik, bestemmer fotonikingeniører f.eks. energieffektiviteten af tv-apparater eller kvaliteten af emittermatricer ved at teste krystaller.
I militæret anvendes lasere til navigation, målafstand for våben og missiler, nedskydning af droner og undersøgelse af farlige stoffer.
I medicin anvendes lasere i mange diagnostiske og terapeutiske procedurer samt til delikate operationer på øjet eller andre dele af kroppen. F.eks. bruges femtosekund-lasere til at snitte hornhinden ved grå stær-operationer.
Vigtigt! Meget tid bruges på forskning af nye løsninger inden for dette hurtigt udviklende felt. Fotonikingeniører skal holde sig opdateret med opdagelser og forskning fra andre ingeniører, hvorfor de ofte deltager i konferencer med specialister fra andre sektorer for at dele viden og lære om ændringer i fotonikkens verden.
Der er to karriereveje for nyuddannede inden for fotonik. De kan arbejde i den kommercielle sektor i teknologivirksomheder, eller de kan fortsætte den videnskabelige vej, både i indenlandske og udenlandske forskningscentre. Arbejdstiden i Polen er typisk en 40-timers arbejdsuge, selvom overarbejde nogle gange er nødvendigt for at overholde forskningsprojektfrister. Det sker også, at man i forskningsinstitutioner med kompleks og sparsom infrastruktur må gennemføre eksperimentet i et begrænset tidsvindue. Det kræver engagement og nogle gange dedikation. Rejser til udlandet er ofte nødvendige, da arbejdet udføres af internationale teams. Fotonikingeniørers sprog er oftest engelsk. Fotonik er et typisk område inden for såkaldt avanceret teknologi (deep-tech). Derfor vælger mange ingeniører at fortsætte deres uddannelse på ph.d.-niveau.
De bedste akademiske centre i Polen, hvor man kan studere fotonik
Warsaw University of Technology, Faculty of Physics
Military University of Technology, Institute of Optoelectronics
Wrocław University of Technology, Faculty of Electronics, Photonics and Microsystems
Nicolaus Copernicus University i Toruń, Faculty of Physics
Maria Curie Skłodowska University i Lublin – især inden for fiberoptik-teknologier
Afhængigt af det valgte akademiske center er fotonikundervisningen opdelt i seks tematiske blokke: fysisk, matematisk og IT, teknisk, hovedfag og andre.
Fotonik i Polen – hvor står vi?
Implementeringen af målet om udvikling af fiberoptisk teknologi og fotonik i Polen har dannet grundlag for oprettelsen af Photonics and Fiber Optic Cluster – Polish Center for Photonics and Fiber Optic – og Polens opnåelse af en konkurrencefordel inden for moderne fremtidsteknologier. Analyser blev gennemført på markeder med hensyn til udviklingsretningen i luftfartsindustrien, moderne ledelsesmetoder, og det voksende behov for organiske teknologier, herunder fiberoptik, blev fremhævet.
Efterspørgslen efter software, der muliggør design af optiske og optomekaniske elementer, systemer og enheder, er enorm i Polen. Hvad mere? Interessen for denne type software i vores del af Europa vokser meget hurtigt. Dette omsættes til et hurtigt stigende antal ordrer, hvilket tydeligt indikerer den voksende efterspørgsel på området.
Ifølge markedsundersøgelser, udført indirekte på baggrund af rapportanalyser og direkte via samtaler med iværksættere samt baseret på populærvidenskabelige artikler og medieindslag, er der et stort behov for at levere ydelser inden for teknologioverførsel og forskning i fotonik, fra forskningsenheder til industrien. Dette inkluderer udvikling af forskningsprocedurer, implementering af nye løsninger samt tilpasning af anvendelsesforskning til den voksende efterspørgsel efter fotonikteknologier.
Hvert år bliver der flere og flere virksomheder i Polen, der udnytter teknologiens potentiale inden for dette område. Forskellige typer observationsudstyr, rekognoscerings- og målretningssystemer påvirker den voksende position inden for forsvarsindustrien. Dog vokser anvendelsen af optoelektroniske enheder uden for militæret også. For eksempel kan man observere en genopblomstring af civile optoelektroniske enheder i smartphones. Derudover anvendes fotonik i stigende grad i kommunikationssystemer samt i materialefremstilling og -behandlingssystemer.
På trods af gode udviklingsperspektiver er der stadig mange barrierer i Polen ved implementering af moderne løsninger. Der findes ingen store polske virksomheder, der kan stimulere udviklingen af moderne teknologi i landet. Der er også mangel på mellemstore systemintegratorer og producenter af højt integreret optoelektronik, f.eks. integrerede optoelektroniske kredsløb, som kan danne grundlaget for fremtidige optoelektroniske enheder.
Fotonisk forskning i Polen
Selvom der udføres forskning på sådanne enheder i landet, mangler der stadig videnskabelige og industrielle centre, der ville kunne udnytte forskningsresultaterne og effekterne af polske mellemstore producenter. For at imødekomme dette behov er der i de seneste år blevet taget initiativer til at opbygge flere nye forsknings- og udviklingscentre med fokus på samarbejde med industrien. Disse omfatter:
CEZAMAT – Center for Advanced Materials ved Warsaw University of Technology
CEZAMAT er et center med en unik base af renrumslaboratorier med fokus på udvikling af nye materialer til fotonik og elektronik. Det har også de nødvendige kontorfaciliteter og fremragende administrativ støtte.ENSEMBLE3 – Center of Excellence
ENSEMBLE3 er et center oprettet som et fælles initiativ af University of Warsaw og ITME (Institute of Electronic Materials Technology). Vores CEO, Krzysztof Jakubczak, deltog i udviklingen af strategien for oprettelsen af dette center.CENTERA – Center for Terahertz Research and Applications
Dette er et center, der fokuserer på teknologier, der arbejder i terahertz-området.
Foreninger, der støtter iværksættere og institutioner, er også meget vigtige i det fotoniske økosystem. De vigtigste inkluderer PPTF – Polish Technological Platform of Photonics og National Laboratory of Photonics and Quantum Technologies (NLPQT).
Integrerede fotoniske systemer – hvad er de?
Integrerede fotoniske kredsløb er intet andet end en direkte ækvivalent til elektroniske integrerede kredsløb, som vi har kendt i mange år. Den centrale forskel på konceptuelt niveau er, at informations- og energibæreren i integreret elektronik er en elektron. I fotonik er det en foton – en partikel, der repræsenterer et kvantum (portion) af lysenergi.
Det integrerede optiske system kan anvendes i mange forskellige applikationer, hvilket øger tilgængeligheden, reducerer omkostninger og minimerer den tid, der bruges på forskning og udvikling. Med den samme chip kan man udføre matematiske operationer, implementere kunstig intelligens og maskinbehandlingssystemer, sensornetværk på en chip, billedbehandlingssystemer og manipulere de kvantetilstande af lys.
Forskelle mellem elektroniske og fotoniske integrerede kredsløb:
Hastighed
Fotoniske systemer arbejder meget hurtigere, hvilket skaber håb om langt større regnekraft i fremtidens kvantecomputere.Energibesparelse
Fotoniske systemer har potentiale til at forbruge langt mindre energi.Sikkerhed
I princippet er det umuligt at “aflytte” fotoniske systemer, som det rutinemæssigt sker i elektroniske systemer. En potentiel indtrængende opdages med det samme. Desuden, i tilfælde af f.eks. et forsøg på at opsnappe information i et fiberoptisk netværk, er det også straks kendt, hvor forsøget fysisk blev udført.
Integreret kvantefotonik bruger klassiske integrerede organiske og uorganiske teknologier og enheder til kvanteapplikationer. Integration på chipniveau er dog afgørende for at kunne opskalere og oversætte demonstrationsprototyper fra laboratorier til virkelige teknologier. Indsatser inden for integreret kvantefotonik er omfattende og involverer udvikling af kvantekredsløb, der kan integreres monolitisk, hybridt eller heterogent.
Ifølge forskere er der et presserende behov for store investeringer for at kunne uddanne næste generation af ingeniører inden for dette felt. Der er en voksende efterspørgsel efter forskere og ingeniører med omfattende viden, både inden for kvantemekanik og teknologiske anvendelser. Investering i uddannelsen af næste generation vil helt sikkert bidrage til at flytte grænserne for videnskab og teknologi.
Hvad er optoelektronik, og hvor bruges det?
Optoelektronik beskæftiger sig med konstruktion af systemer og enheder, der udsender, modellerer og transmitterer eller detekterer lys, herunder elektronik, der arbejder sammen. Derudover beskæftiger det sig med konstruktion og anvendelse af alle slags enheder og apparater til udsendelse og detektion af lys. Det er et teknologifelt, der bruger lysets egenskaber til at bearbejde information. Takket være optoelektronik er det muligt at erhverve, indsamle, transmittere, behandle og præsentere information ved hjælp af forskellige elementer som fotoelektriske detektorer, laser-CD-enheder, IrDA-infrarøde porte, LCD-skærme eller plasmaskærme. Med andre ord: optoelektronik er en kombination af optik og elektronik.
Man kan skelne mellem forskellige typer optoelektronik, såsom:
fiberoptik,
billedbehandling,
fotovoltaik,
IT,
laser-optoelektronik.
Det har en række forskellige anvendelser inden for mange områder som kemi, fysik og elektronik. Optoelektronik bruges i fiberoptiske telekommunikationsnetværk samt i automation og robotik. Takket være det er det muligt at skabe computernetværk, der er modstandsdygtige over for interferens. Det gør det også muligt at gemme data på CD’er eller DVD’er. Det anvendes også med succes i fotovoltaik, som beskæftiger sig med omdannelse af sollys til elektricitet.
Fremskridt inden for optoelektronik
Optoelektronik er et af nøgleområderne, der understøtter udviklingen af den polske økonomi og forsvar. Det spiller en central rolle i leveringen af vigtige elementer til landets forsvarssystem og udrustning af den polske hær. Innovationslederen i den polske optoelektroniske industri er PCO SA i Warszawa, som i over 45 år har specialiseret sig i produktion af produkter til individuel soldatudrustning og kampkøretøjer ved hjælp af optoelektroniske sensorer. Her blev også den tidligere utilgængelige MT-1 termiske kikkerte udviklet. Kombinationen af specialistens erfaring og kompetence har resulteret i skabelsen af en enhed, der er enestående ikke kun på det polske marked, men også på verdensmarkedet. Set over mange år kan det ses, at de udviklede, moderne optoelektroniske teknologier er innovative ideer, der opfylder forventningerne hos udstyrsanvendere og industrien.
De bedste jobmuligheder inden for optoelektronik
Industrier, hvor kandidater inden for optoelektronik kan regne med beskæftigelse:
Virksomheder og forskningsenheder, der udfører projekter relateret til design, konstruktion og brug af elementer i satellitenheder eller lasere
Forsknings- og udviklingsinstitutter
Offentlige og private universiteter, der uddanner specialister inden for rum- og satellitteknologier
Institutioner under Forsvarsministeriet
Sundhedssektoren inden for drift og vedligeholdelse af medicinske laseranordninger
Virksomheder, der bruger avancerede tekniske transportmidler
Virksomheder, der beskæftiger sig med opbevaring og bortskaffelse af farlige stoffer
Territoriale forsvarsenheder inden for drift og vedligeholdelse af sikkerhedssystemer
Er du interesseret i emnet fotonik? Tjek også vores kontraktproduktion af elektroniktjenester!
Suggested articles related to the topic of photonics:
Popular articles on our blog:
